模型驅(qū)動(dòng)的土地調(diào)查要素符號(hào)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴勁松，楊明

(寧波市測(cè)繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

地圖符號(hào)是地圖的語(yǔ)言單位，是可視化表達(dá)地理信息內(nèi)容的基本工具，它本質(zhì)上是用來(lái)表示實(shí)地物體與現(xiàn)象的特定圖解記號(hào)，由點(diǎn)、線和幾何圖形所組成，具備3個(gè)基本要素，即形狀、尺寸和顏色[1]。符號(hào)化是地圖繪制時(shí)現(xiàn)實(shí)地物抽象為符號(hào)的過(guò)程。符號(hào)化后的地物往往帶有部分地物屬性特征(如地物長(zhǎng)度、形狀、面積等)，這些特征既方便地圖使用者辨識(shí)地物，也會(huì)向地圖使用者傳達(dá)圖形要素信息。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未得到普及的年代，地圖符號(hào)樣式及類型沒(méi)有得到較好的統(tǒng)一，各地圖符號(hào)代表類型、意義不盡相同，但后續(xù)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及較好地解決了符號(hào)統(tǒng)一問(wèn)題，而目前各平臺(tái)程序如何高效并精確描述地圖符號(hào)成為新的挑戰(zhàn)。

目前國(guó)內(nèi)外GIS平臺(tái)在符號(hào)庫(kù)中設(shè)計(jì)符號(hào)的途徑主要可概括為4種[2]：

(1)文本編輯器設(shè)計(jì)法。它利用文本描述繪制的符號(hào)，其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)速度慢，且符號(hào)編寫的過(guò)程中容易產(chǎn)生語(yǔ)法錯(cuò)誤，不能實(shí)時(shí)觀察設(shè)計(jì)的符號(hào)；

(2)系統(tǒng)提供的二次開發(fā)語(yǔ)言編程。某些地物符號(hào)由于地物本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或樣式獨(dú)特具備唯一性，不易采用文本編輯，因此需要借助開發(fā)語(yǔ)言完成描述；

(3)系統(tǒng)本身的圖形編輯功能。它將符號(hào)當(dāng)作普通的圖形塊，追加符號(hào)碼等描述項(xiàng)后存儲(chǔ)到符號(hào)庫(kù)，隨后根據(jù)需要或應(yīng)用，繪圖時(shí)調(diào)用符號(hào)庫(kù)中的圖形塊顯示在地圖上；

(4)系統(tǒng)提供的符號(hào)設(shè)計(jì)功能。使用者可將系統(tǒng)本身提供的基本符號(hào)與自定義符號(hào)(如點(diǎn)符號(hào))進(jìn)行某種組合、位移、放縮，隨后得到制圖輸出所需的復(fù)雜符號(hào)(如復(fù)雜線型和面狀填充符號(hào))，這也是目前較為流行的符號(hào)設(shè)計(jì)方式。

除符號(hào)設(shè)計(jì)方法外，地圖符號(hào)的組織格式也具備系列的發(fā)展研究?？筛鶕?jù)地圖符號(hào)組織的數(shù)據(jù)格式的不同(即矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù))，將地圖符號(hào)分為基于矢量數(shù)據(jù)的符號(hào)，基于柵格數(shù)據(jù)的符號(hào)和基于兩種混合數(shù)據(jù)的符號(hào)[3]。對(duì)應(yīng)3種數(shù)據(jù)類型符號(hào)，已有許多研究陸續(xù)提出了組織方法，用以提高不同應(yīng)用目的下符號(hào)的存儲(chǔ)與可視化效率[4～7]，如：在符號(hào)繪制的過(guò)程中，借助圖形系統(tǒng)與圖像處理軟件繪制圖形塊[8，9]；新興地理信息表達(dá)技術(shù)，如WebGIS技術(shù)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換格式(如JSON)表達(dá)并解析符號(hào)[10，11]；三維地理信息技術(shù)也發(fā)展出對(duì)應(yīng)的符號(hào)化方法[12，13]。

眾多類型的符號(hào)庫(kù)中，矢量符號(hào)庫(kù)用離散形式的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)表示的點(diǎn)、線、面狀符號(hào)的有序集合[14]，庫(kù)中符號(hào)占用內(nèi)存小、冗余數(shù)據(jù)少、調(diào)用效率高，符合土地調(diào)查工作要求，根據(jù)上述各研究的發(fā)展，將其應(yīng)用于土地調(diào)查是合理且具備潛力的。

常規(guī)建立矢量符號(hào)庫(kù)的方法有3種，分別是程序塊法、信息塊法與綜合法。程序塊法是通過(guò)系統(tǒng)提供的開發(fā)語(yǔ)言直接編寫圖形符號(hào)或符號(hào)識(shí)別語(yǔ)句；信息塊法則將符號(hào)和繪圖程序獨(dú)立，符號(hào)被離散為單純線劃；綜合法即為兩者的結(jié)合，根據(jù)不同的需求，將前兩種方法不同程度上協(xié)調(diào)起來(lái)。

本文以不產(chǎn)生冗余符號(hào)化數(shù)據(jù)為基本目標(biāo)，將符號(hào)通過(guò)程序控制以圖面渲染的方式而非以矢量實(shí)體形式展現(xiàn)在圖面上，這樣既能保證數(shù)據(jù)規(guī)范制圖的要求，又避免了因?yàn)榈匚锓?hào)化而產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，提升數(shù)據(jù)檢索效率和圖面瀏覽速度。

在上述研究基礎(chǔ)之上，本研究按照土地調(diào)查數(shù)據(jù)制圖的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提取標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的符號(hào)圖元與參數(shù)，使用矢量圖元的方式制作要素符號(hào)，實(shí)現(xiàn)土地?cái)?shù)據(jù)要素符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，形成完整的土地調(diào)查要素符號(hào)庫(kù)。設(shè)計(jì)并研發(fā)通用符號(hào)庫(kù)訪問(wèn)接口，為不同的制圖軟件使用符號(hào)庫(kù)提供途徑，實(shí)現(xiàn)符號(hào)共享與符號(hào)庫(kù)的跨平臺(tái)應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 基于矢量圖元的符號(hào)庫(kù)設(shè)計(jì)

土地調(diào)查中的各類地物按照類型可分為點(diǎn)狀地物、線狀地物、面狀地物和注記地物等，地物在數(shù)據(jù)庫(kù)中表達(dá)時(shí)，若采取類似面向?qū)ο蠓椒ǎ诜?hào)層定義矢量圖元并予以表達(dá)，便可達(dá)到符號(hào)冗余小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的目標(biāo)[15]。據(jù)此，本研究符號(hào)化的基本是對(duì)圖元的抽象定義，同時(shí)定義需滿足圖元的可組織性及對(duì)地物符號(hào)的全覆蓋性，目標(biāo)需建立在對(duì)實(shí)體地物結(jié)構(gòu)，各平臺(tái)符號(hào)化格式、表達(dá)機(jī)制，實(shí)際表達(dá)效果全面了解的基礎(chǔ)上。圖元定義完畢后，各類地物符號(hào)便可由地圖符號(hào)庫(kù)模板實(shí)現(xiàn)，模板記錄土地調(diào)查庫(kù)中地物實(shí)體和地物符號(hào)的基本屬性信息，包括地物名稱、地物實(shí)體類型(點(diǎn)、線、面、注記)及地物符號(hào)語(yǔ)句。符號(hào)庫(kù)模板完善后，對(duì)地物符號(hào)的表達(dá)會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)地物已存儲(chǔ)的符號(hào)語(yǔ)句及完成這個(gè)語(yǔ)句相關(guān)圖元的表達(dá)。

根據(jù)土地調(diào)查要素符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，并參考各平臺(tái)符號(hào)定義格式與表達(dá)機(jī)制，測(cè)試比對(duì)實(shí)際符號(hào)化結(jié)果，歸納地物符號(hào)類如下：

(1)點(diǎn)狀地物：如民用機(jī)場(chǎng)、高程點(diǎn)等。

(2)簡(jiǎn)單線狀地物：包括擬合復(fù)合線(如公路)、不擬合復(fù)合線(如境界線)和兩邊平行的雙線地物(如不依比例的管道運(yùn)輸用地等)。

(3)兩點(diǎn)定位地物：需要兩個(gè)定位點(diǎn)來(lái)確定符號(hào)形狀及位置的地物。

(4)四點(diǎn)定位地物：需要三個(gè)點(diǎn)或四個(gè)點(diǎn)來(lái)確定形狀的地物。

(5)范圍面地物：除了四點(diǎn)定位面狀地物外的一般面狀地物及其內(nèi)部填充，如各類土地利用面狀圖斑等。

(6)程序控制復(fù)雜地物：需要使用程序控制符號(hào)繪制的復(fù)雜地物，前5類地物無(wú)法描述的復(fù)雜面狀實(shí)體。

(7)文字類地物：有定位點(diǎn)的文字型地物，如圖面文字注記等。

地物符號(hào)類總結(jié)了圖面地物表達(dá)形式，同類符號(hào)具有一定的相似特征，據(jù)此抽象出矢量圖元，從結(jié)構(gòu)上可作為符號(hào)構(gòu)成的基本，從效果上可有效精簡(jiǎn)符號(hào)形式。

本文將各類地物符號(hào)作為整體拆分，多次拆分后，各類符號(hào)拆分為單點(diǎn)、實(shí)線、圓、圓弧、實(shí)心三角形、實(shí)心圓、實(shí)心圓弧、基本文字八類，因此可將此八類看作是組成地物符號(hào)的最小模型單位，定義為基本圖元，通過(guò)圖元的組合表達(dá)各類地物符號(hào)。

2.2 模型驅(qū)動(dòng)的符號(hào)庫(kù)設(shè)計(jì)

確立符號(hào)表達(dá)機(jī)制后，若要將其與空間數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的地類數(shù)據(jù)類別在圖面表達(dá)，需在符號(hào)庫(kù)鏈接時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)、比例尺、實(shí)體要素、符號(hào)這幾者關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同比例尺下的數(shù)據(jù)符號(hào)化效果[16]。為達(dá)到上述效果，符號(hào)庫(kù)模型在建立時(shí)，需將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、屬性、地物編碼體系等內(nèi)容寫入符號(hào)庫(kù)配置表中，程序在數(shù)據(jù)庫(kù)中可根據(jù)此類模型，關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)與地物符號(hào)，達(dá)到精確高效的符號(hào)化效果。

2.3 通用接口的設(shè)計(jì)

目前常用的GIS平臺(tái)，如ArcGIS、MapGIS等，調(diào)用符號(hào)庫(kù)繪制地物符號(hào)的規(guī)則不同。土地調(diào)查作業(yè)不局限在單一平臺(tái)，因此矢量土地調(diào)查符號(hào)庫(kù)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)效果。

符號(hào)化分發(fā)步驟分為3步，第1步是初始化，即讀取定義符號(hào)化的模板(db文件)，解析符號(hào)化語(yǔ)句，構(gòu)建符號(hào)化指針；第2步是根據(jù)編碼獲取符號(hào)化指針；第3步是根據(jù)符號(hào)化指針和實(shí)體幾何屬性及擴(kuò)展屬性分發(fā)符號(hào)，獲取符號(hào)打散結(jié)果，最終利用回調(diào)函數(shù)獲取擴(kuò)展屬性及符號(hào)化效果。其中，第1步只需在符號(hào)化開啟時(shí)執(zhí)行1次，第2步和第3步在每次進(jìn)行實(shí)體分發(fā)依次進(jìn)行。依照符號(hào)化分發(fā)步驟，設(shè)計(jì)并編寫通用符號(hào)庫(kù)接口。

3 符號(hào)庫(kù)建立與應(yīng)用

3.1 矢量圖元與符號(hào)定義語(yǔ)句

根據(jù)土地調(diào)查要素符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，各平臺(tái)符號(hào)定義格式、表達(dá)機(jī)制與大量測(cè)試比對(duì)拆分作業(yè)，本研究將地物符號(hào)看作基本矢量圖元組合、嵌套的整體，即地物符號(hào)的主實(shí)體經(jīng)多次拆分被分解為單點(diǎn)、實(shí)線、圓、圓弧、實(shí)心三角形、實(shí)心圓、實(shí)心圓弧、基本文字八大基本圖元[17]。各地物符號(hào)由符號(hào)庫(kù)模板記錄了實(shí)體符號(hào)間一一對(duì)應(yīng)的基本屬性與符號(hào)語(yǔ)句，其中，主實(shí)體描述存儲(chǔ)于符號(hào)表，子實(shí)體描述存儲(chǔ)于符號(hào)輔助表，子實(shí)體與上級(jí)實(shí)體通過(guò)編碼關(guān)聯(lián)。

符號(hào)庫(kù)模板中，一個(gè)符號(hào)由一條或多條符號(hào)描述語(yǔ)句定義，一條語(yǔ)句是一個(gè)字符串，對(duì)應(yīng)一種基本矢量圖元。單一符號(hào)可以包含多個(gè)語(yǔ)句，以圖1所示草地符號(hào)為例，符號(hào)主體可拆解為三條獨(dú)立的矢量線段，對(duì)于單條矢量線段，即單個(gè)實(shí)線圖元，語(yǔ)句通過(guò)定義實(shí)線起點(diǎn)、終點(diǎn)便定義了符號(hào)形狀：

圖1 符號(hào)庫(kù)模板中的草地符號(hào)

如圖1所示草地描述語(yǔ)句，橫線部分語(yǔ)句表述為：

2；0.15；-1.25，0；1.25，0

此語(yǔ)句代表一條線寬為0.15，以中點(diǎn)為原點(diǎn)，坐標(biāo)從(-1.25，0)的起點(diǎn)至(1.25，0)的終點(diǎn)的線要素。

第二句語(yǔ)句表述為：

2；0.15；-0.5，1.3；-0.5，0

此語(yǔ)句代表一條線寬為0.15，以中點(diǎn)為原點(diǎn)，坐標(biāo)從(-0.5，1.3)的起點(diǎn)至(-0.5，0)的終點(diǎn)的線要素。

第三句語(yǔ)句表述為：

2；0.15；0.5，1.3；0.5，0

此語(yǔ)句代表一條線寬為0.15，以中點(diǎn)為原點(diǎn)，坐標(biāo)從(0.5，1.3)的起點(diǎn)至(0.5，0)的終點(diǎn)的線要素。

坐標(biāo)圖解分析如圖2所示：

圖2 草地符號(hào)坐標(biāo)圖解分析

3.2 符號(hào)庫(kù)模型的建立

為實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫(kù)-地物-符號(hào)三者一一對(duì)應(yīng)，形成穩(wěn)定的符號(hào)調(diào)用模型和機(jī)制，也為了使符號(hào)庫(kù)能夠適應(yīng)于各種不同的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和編碼體系，本項(xiàng)目將“符號(hào)庫(kù)模型”的概念引入符號(hào)庫(kù)建立中，使一個(gè)符號(hào)庫(kù)能夠根據(jù)此類模型自動(dòng)掛接到符合的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)地物的正確識(shí)別和符號(hào)化。

成果符號(hào)庫(kù)中，除定義了各個(gè)地物的各個(gè)符號(hào)之外，還通過(guò)配置表格定義了對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的圖層、字段信息、地物編碼、顏色體系，建立了地物與符號(hào)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖層信息表：定義了該模板對(duì)應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的要素類及其基本屬性。數(shù)據(jù)在進(jìn)行符號(hào)化時(shí)通過(guò)此表可定位地物所在圖層(表1)。

圖層信息表 表1

字段定義表：定義了數(shù)據(jù)中一些與地物符號(hào)識(shí)別、地物符號(hào)相關(guān)的字段，如地物編碼所在字段、高程信息所在字段、角度信息所在字段等，而數(shù)據(jù)在符號(hào)化時(shí)，需根據(jù)這些字段進(jìn)行相應(yīng)地物的符號(hào)化(表2)。

字段定義表 表2

地物編碼配置表：定義了地物的代碼、所在圖層、顏色號(hào)等信息，此配置表作為最為重要的定義表，將模型中數(shù)據(jù)庫(kù)、地物和符號(hào)進(jìn)行了一一對(duì)應(yīng)，使數(shù)據(jù)在掛接符號(hào)庫(kù)時(shí)能正確將數(shù)據(jù)與符號(hào)對(duì)應(yīng)上并正確符號(hào)化(表3)。

地物編碼配置表 表3

續(xù)表3

字體定義表：Textstle表定義了字體的樣式，通過(guò)這個(gè)表可以在符號(hào)化是自動(dòng)根據(jù)定義的字體樣式符號(hào)化文字類符號(hào)(表4)。

字體定義表 表4

顏色定義表：表定義了符號(hào)顯示時(shí)的顏色號(hào)，可同時(shí)定義一種顏色的RGB和CMYK的色值(表5)。

顏色定義表 表5

3.3 跨平臺(tái)符號(hào)化接口

跨平臺(tái)有兩層概念，一是跨軟件層次的平臺(tái)，如idata和ArcGIS為兩個(gè)平臺(tái)，但是它們可以共用一套符號(hào)化的定義和接口，使得符號(hào)定義一次，在各個(gè)軟件平臺(tái)通用；二是跨系統(tǒng)平臺(tái)，由于符號(hào)化使用C++語(yǔ)言編寫，編譯后可以在各大系統(tǒng)使用，如iData(Window平臺(tái))與iDataMoblile(Android平臺(tái))，其他如Linux平臺(tái)一樣可以使用。

符號(hào)庫(kù)定義打散輸出的基礎(chǔ)圖元的接口，如基本的點(diǎn)、線、面、圓、圓弧等，使得各個(gè)平臺(tái)都能接收打散后的結(jié)果，其中接口都定義為虛函數(shù)，各個(gè)不同的軟件平臺(tái)需要進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如ArcGIS圖面渲染時(shí)可以進(jìn)行GDI+的繪制，導(dǎo)出DWG分發(fā)時(shí)可以生成點(diǎn)、線、面等實(shí)體[18，19]。借助于這種接口的設(shè)置，不同平臺(tái)不同的用途使用相同的符號(hào)化打散技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)需求功能。

3.4 ArcGIS平臺(tái)符號(hào)化效果

本文研發(fā)了ArcGIS平臺(tái)符號(hào)化插件驗(yàn)證跨平臺(tái)符號(hào)化實(shí)現(xiàn)效果。ArcGIS平臺(tái)符號(hào)化插件用于在ArcGIS平臺(tái)加載、解析符號(hào)庫(kù)模板：插件通過(guò)解析符號(hào)描述語(yǔ)句，渲染數(shù)據(jù)庫(kù)地物，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)符號(hào)化。

使用示例數(shù)據(jù)庫(kù)，插件加載、解析符號(hào)庫(kù)效果如圖3所示：

圖3 ArcGIS平臺(tái)符號(hào)化效果示例

測(cè)試結(jié)果顯示，ArcGIS平臺(tái)符號(hào)化插件測(cè)試結(jié)果良好，可做到實(shí)時(shí)渲染任意加載的mdb數(shù)據(jù)，同時(shí)保證了地物符號(hào)化準(zhǔn)確度與效率。

4 總結(jié)與展望

模型驅(qū)動(dòng)的符號(hào)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到國(guó)土調(diào)查中，矢量符號(hào)在多種GIS平臺(tái)與項(xiàng)目應(yīng)用中均能表現(xiàn)出優(yōu)秀的適應(yīng)性，其本身也具備提高數(shù)據(jù)組織與利用效率的特點(diǎn)，在信息化的土地調(diào)查作業(yè)中，矢量符號(hào)可顯著提高數(shù)據(jù)表達(dá)的準(zhǔn)確性、節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及優(yōu)化數(shù)據(jù)檢索速度。本文致力于集成高效化的矢量符號(hào)庫(kù)，它不同于傳統(tǒng)的程序塊與信息塊法，而是將所有地物符號(hào)抽象為基本矢量圖元或圖元組合，利用骨架線符號(hào)化渲染技術(shù)實(shí)時(shí)生成符號(hào)。

本文將矢量符號(hào)融入土地調(diào)查工作，既是土地調(diào)查工作對(duì)數(shù)據(jù)高效性的要求，也是矢量符號(hào)投入多元應(yīng)用的試驗(yàn)。雖然目前兩者適用性良好，矢量符號(hào)可以滿足調(diào)查作業(yè)的需求，但在具體應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)其對(duì)復(fù)雜符號(hào)的適應(yīng)性仍顯薄弱，這是由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的適應(yīng)性問(wèn)題，在未來(lái)的研究中，仍有進(jìn)步的空間?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，隨時(shí)代的發(fā)展，土地調(diào)查勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生更多方位更多層次上的要求，符號(hào)化技術(shù)在應(yīng)對(duì)這些可能出現(xiàn)的要求時(shí)也需保持不斷進(jìn)步，做出新的突破。